CN106207484A - 单伸缩杆转台驱动的环框型索网反射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单伸缩杆转台驱动的环框型索网反射系统。其包括外圆环框架(1)、索网组(2)、支撑架(3)、支撑柱(5)、伸缩杆(6)、方位平台(7)和底座(8)；支撑架(3)安装在外圆环框架的一侧；馈源(4)采用偏置的支撑方式安装在支撑架上；支撑柱采用T形结构；外圆环框架通过三个转动连接关节(9a,9b,9c)与支撑柱和伸缩杆连接；支撑柱下端与方位平台固定连接；伸缩杆下端与支撑座(10)活动铰接，形成转动副，支撑座(10)与方位平台固定连接；通过伸缩杆的伸长和方位平台的转动实现反射器任意姿态的控制；本发明结构简单，轻便灵活，能实现对反射系统的方位和俯仰姿态控制，可用于光、电能量的反射或汇聚。
Description
技术领域
本发明属于机电驱动技术领域，具体是一种通过单伸缩杆转台驱动进行跟踪定位的环框型索网反射系统，可用于电磁能或光能的反射或汇聚。
背景技术
大型反射系统通常包括反射器和跟踪器。反射器一般包括反射面板和支撑背架，跟踪器包括俯仰角和方位角调整控制装置。目前，大型抛物面反射系统不仅在通信、导航、探测、跟踪、测控等电子信息技术领域得到了广泛的应用，而且也将扩展和应用到太阳能应用技术领域，实现清洁太阳能的高效汇聚发电,从而为实现全球气候大会上所承诺的节能减排目标提供有力的技术支持。
为保证反射面的型面精度，目前大型反射器的结构中反射面板多采用实面面板，以便满足地表环境下重力、风载、雨雪载荷作用下的刚强度要求。这种大型反射器的质量随着口径的增大呈现指数性的增长，因而其研制成本、研制周期都是相对较高，难以广泛使用。尽管也有反射面为网孔面板结构的反射器，但其口径面密度仍然远大于10.0Kg/m2。我国将于2016年完成建造的500m口径球面射电望远镜采用了基于主动反射面技术、柔索牵引馈源技术等系统级的创新设计思路，在地面上已经是超轻反射器结构，但其口径面密度仍然为6.6Kg/m2。
在太空中，索网结构大型可展开天线得到了普遍应用。由于太空环境的重力近乎为零，这种刚柔组合的轻柔结构可以成型期望的型面精度，并且质量超轻，通常其口径面密度不超过0.4Kg/m2。但这种索网结构不能直接用于地面。
对于由实面面板和支撑背架组成的反射器，传统的俯仰—方位型跟踪器的俯仰轴与反射器中心线的下方连接，俯仰轴安装在轴承上，俯仰轴上安装有扇形齿轮，通过俯仰驱动机构驱动扇形齿轮转动实现反射器的俯仰运动。该种安装方式结构复杂、质量重、加工成本高、安装效率低以及维护成本高，适用于具有较大质量的反射器。但本发明中的环框型索网结构反射器质量超轻，刚性部件位于外圆环框，其余位置没有可连接的刚性部件，传统俯仰—方位型跟踪器不能直接用于本发明的环框型索网结构反射器。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种通过单伸缩杆转台驱动进行跟踪定位的环框型索网反射系统，在保证地面反射器中反射面期望型面精度的情况下，以简化整个反射系统的结构，减小系统质量和成本，达到其口径面密度小于3.0Kg/m2，从而实现整个系统的综合优化和达到优良的性价比。
本发明的技术方案是这样实现的：
一、技术原理
在自然界中，轻柔的蜘蛛网由于其质量超轻，其受重力的影响很小，且蜘蛛丝的相对强度较高，蜘蛛网在风雨载荷等作用下仍然可以很好地成形和发挥功效。
随着人类科技的不断发展，一些高强度的轻型材料如碳纤维管、凯夫拉线等逐渐得到推广应用，而且其成本也显著下降，已经由航天应用推广到众多民用产品，如钓鱼杆、风筝线等。
本发明参考蜘蛛网的结构特点，采用高强度轻型材料，通过灵巧的索网结构形成可承受外部载荷的大型反射器的反射面，采用周边固定桁架结构构建反射器的外圆环框；然后再用简单的单伸缩杆转台驱动的跟踪定位机构支撑控制该超轻的大型反射器的姿态。整个反射系统在保证反射面型面精度、外部载荷作用下的刚强度要求等条件下，使系统整体结构尽可能轻便，这样所用的材料也将尽可能少，从而保证其研制成本和维护成本也将尽可能低，进而可以得到广泛使用。
二.技术方案
本发明的技术思路是:采用周边固定桁架结构构建反射器外圆环框架，外圆环框内通过柔性索网成型偏馈反射索网面，其上绑定金属丝网或柔性金属薄膜，共同形成索网结构反射器。外圆环框架的上端圆环一侧支撑偏置的馈源或集热器。反射器通过一个支撑柱和一根可伸缩支撑杆与方位平台连接，通过方位平台的转动和伸缩杆长度的改变，实现反射器的方位和俯仰姿态控制。
根据上述原理，本发明的单伸缩杆转台驱动的环框型索网反射系统，包括反射器和跟踪器。
所述反射器，包括外圆环框架、索网组、支撑架、馈源或集热器；外圆环框架由复数个球形环连接关节、梯形环连接关节、上横杆、下横杆、竖杆、左斜撑杆和右斜撑杆连接而成；每个上横杆分别与球形环连接关节和梯形环连接关节连接形成外圆环框架的上端圆环；每个下横杆分别与球形环连接关节和梯形环连接关节连接形成外圆环框架的下端圆环；索网组由网面索、紧固索和纵向支撑索三者共同组成；馈源或集热器安装在支撑架上；
所述跟踪器，包括支撑柱、伸缩杆、方位平台、底座、三个转动连接关节和支撑座；
其特征在于：
支撑架安装在外圆环框架的上端圆环的一侧；
网面索，由多根柔性绳索织成的纵横交错网组成，其周边与外圆环框架的上端圆环连接，其上绑定用以反射电磁波的金属丝网，或绑定用以汇聚太阳光的带通风小孔的柔性镀金属薄膜，形成第一层网面即反射面；
紧固索，由多根柔性绳索织成的纵横交错的网组成，其周边与外圆环框架的下端圆环连接，形成第二层网面；
纵向支撑索，由多根可伸缩的柔性绳索组成，每根可伸缩的柔性绳索两端分别与网面索和紧固索的对应绳索节点连接，通过调节纵向支撑索的长度控制网面索的形变，使反射面的形状改变；
支撑柱采用成T形结构，其下端与方位平台固定连接，其上端两端点分别通过第一转动连接关节和第二转动连接关节与外圆环框架的下端圆环连接；
支撑座与方位平台固定连接，伸缩杆的下端与支撑座活动铰接，形成转动副，伸缩杆的上端通过第三转动连接关节与外圆环框架的下端圆环连接；
三个转动连接关节成等腰三角形分布。
本发明与现有相关技术相比具有如下优点：
1.本发明采用两层纵横交错的柔性索网通过张拉形成反射器的偏馈反射面，与现有的采用实面面板作为反射面的地面反射器相比较，节省了大量的金属材料，显著降低了地面反射器的质量，因此也进一步降低了控制方位俯仰姿态的支撑结构的质量，使得研制成本大幅度降低。
2.本发明采用金属丝网反射面，或者是分布有通风小孔的金属薄膜，使风、雨、雪这些自然载荷极易穿过，提高对自然载荷的抵抗性；同时由于本发明采用的索网结构相比金属材料其热膨胀系数更低，显著减小热载荷对反射器型面精度的影响，使其适合于地表环境的应用。
3.本发明由于反射器结构构成简单、质量超轻，因此可以采用简单轻便的由T型支撑柱、单伸缩杆和方位平台共同组成的支撑结构实现其方位俯仰姿态的控制，进一步降低了研制、运作和维护成本，缩短了研制周期。
4.本发明采用偏馈反射面，馈源或集热器支撑在外圆环框的上端圆环的一侧，该种支撑方式有利于减小馈源或集热器的自重对反射面型面精度的影响，进一步保证了反射面的型面精度。
5.本发明由于整个反射器结构简便、重量轻，可以采用自动展开或者手动组装的结构形式，适合快速组装和建造，可显著降低反射器系统的移动运输成本，以及提升抗毁坏和重装能力。
附图说明
图1是本发明口径为18.75m的第一实施例在俯仰角为90°时的初始状态示意图；
图2是本发明口径为18.75m的第一实施例运动状态示意图；
图3是图1中环框型索网结构反射器的放大图；
图4是本发明口径为18.75m的第二实施例在俯仰角为15°时的初始状态示意图；
图5是本发明口径为18.75m的第二实施例运动状态示意图；
图6是本发明中的球形环连接关节结构图；
图7是本发明中梯形环连接关节结构图；
图8是本发明中的外圆环框架的局部放大图；
图9是本发明中的第三转动连接关节结构图；
图10是本发明中的第一转动连接关节结构图；
图11是对本发明第一实施例在反射器俯仰角为90°工况下的型面精度仿真图；
图12是对本发明第一实施例在反射器俯仰角为60°工况下的型面精度仿真图；
图13是对本发明第一实施例反射器俯仰角为45°工况下的型面精度仿真图；
图14是对本发明第一实施例反射器俯仰角为30°工况下的型面精度仿真图；
图15是对本发明第二实施例反射器俯仰角为60°工况下的型面精度仿真图；
图16是对本发明第二实施例反射器俯仰角为45°工况下的型面精度仿真图；
图17是对本发明第二实施例反射器俯仰角为30°工况下的型面精度仿真图；
以下参照附图对本发明的实施例与具体实施方式做进一步详细描述。
具体实施方式
实施例一，反射器安装在初始状态俯仰角为90°时，单伸缩杆转台驱动的环框型索网反射系统。
参照图1和图3，本发明的单伸缩杆转台驱动的环框型索网反射系统，包括反射器和跟踪器。
所述反射器，包括外圆环框架1、索网组2、支撑架3、馈源或集热器4，其中：
外圆环框架1，由n个球形环连接关节11、n个梯形环连接关节12、n根上横杆13、n根下横杆14、n根竖杆15、n/2根左斜撑杆16和n/2根右斜撑杆17连接而成，其中：n为复数，上横杆13和下横杆14的长度相等，左斜撑杆16和右斜撑杆17的长度也相等；n根上横杆13分别与n/2个球形连接关节11和n/2个梯形环连接关节12有序连接形成外圆环框架的上端圆环18；n根下横杆14分别与n/2个球形连接关节11和n/2个梯形环连接关节12有序连接形成外圆环框架的下端圆环19；上端圆环18和下端圆环19口径大小相同，通过改变上横杆13或下横杆14的数量和长度可以改变上端圆环18或下端圆环19的口径，即反射器的设计口径；索网组2由网面索21、紧固索22和纵向支撑索23三者共同组成；支撑架3安装在外圆环框架的上端圆环18的一侧，馈源4采用偏置的支撑方式，安装在支撑架3上；网面索21由多根柔性绳索织成的纵横交错网组成，且周边与外圆环框架的上端圆环18连接，其上绑定用以反射电磁波的金属丝网，或绑定用以汇聚太阳光的带通风小孔的柔性镀金属薄膜，形成第一层网面即反射面；紧固索22由多根柔性绳索织成的纵横交错网组成，其周边与外圆环框架的下端圆环19连接，形成第二层网面；纵向支撑索23由多根可伸缩的柔性绳索组成，每根可伸缩的柔性绳索两端分别与网面索21和紧固索22的对应绳索节点连接，通过调节纵向支撑索23的长度控制网面索的形变，使反射面的形状改变。
所述跟踪器，包括支撑柱5、伸缩杆6、方位平台7、底座8、三个转动连接关节9a,9b,9c和支撑座10，其中：
支撑柱5，采用成T形结构，其下端与方位平台7固定连接，其上端两端点分别通过第一转动连接关节9a和第二转动连接关节9b与外圆环框架的下端圆环19连接；支撑座10与方位平台7固定连接，伸缩杆6的下端与支撑座10活动铰接，形成转动副，伸缩杆6的上端通过第三转动连接关节9c与外圆环框架的下端圆环19连接，这三个转动连接关节9a，9b和9c成等腰三角形分布；底座8上端安装有同时能够承受轴向力、径向力和倾覆力矩的转盘轴承，轴承外圈与底座固定连接，轴承内圈与方位平台7固定连接，轴承内圈上加工有方位齿圈，底座下方安装有伺服电机，伺服电机和方位齿圈之间安装有涡轮蜗杆减速器，伺服电机的转动将驱动轴承内圈转动，从而带动方位平台7转动。
参照图6，球形环连接关节11由一空心球体构成，其上加工有五个螺纹孔110，111，112，113，114，五个螺纹孔的中心线相交于球心，第三螺纹孔112的中心线与第一螺纹孔110和第五螺纹孔114的中心线相垂直；第一螺纹孔110的中心线与第五螺纹孔114的中心线的夹角为θ，其大小取决于上横杆13或下横杆14的数量n，即按照公式：θ＝180*(1-2/n)，n≥4；第一螺纹孔110、第二螺纹孔111和第三螺纹孔112三者的中心线共面；第三螺纹孔112、第四螺纹孔113和第五螺纹孔114三者的中心线共另一平面。
参照图7，梯形环连接关节12由一梯形块构成，其左端面、上端面和右端面分别加工有左螺纹孔120，上螺纹孔121和右螺纹孔122，左螺纹孔120、上螺纹孔121和右螺纹孔122三者的中心线相交于一点并与各自对应的端面垂直；左螺纹孔120和右螺纹孔122两者的中心线的夹角大小与图6中第一螺纹孔110和第五螺纹孔114二者的中心线夹角大小相同。
参照图8，上横杆13、下横杆14、竖杆15、左斜撑杆16和右斜撑杆17的两端均加工有螺纹，用于与球形环连接关节11和梯形环连接关节12的螺纹孔连接；上横杆13的中间位置加工有多个连接孔130，用于与网面索21的周边连接；下横杆14的中间位置加工有多个连接孔140，用于与紧固索22的周边连接。
为了便于描述，本实例选取复数n为四十八，即外圆环框架由四十八个球形环连接关节11、四十八个梯形环连接关节12、四十八根上横杆13、四十八根下横杆14、四十八根竖杆15、二十四根左斜撑杆16和二十四根右斜撑杆17组成；第1根上横杆的左端与第1个梯形环连接关节12的右螺纹孔122连接，右端与第1个球形环连接关节11的第一螺纹孔110连接；第2根上横杆的左端与第1个球形环连接关节11的第五螺纹孔114连接，右端与第2个梯形环连接关节12的左螺纹120连接；第3根上横杆的左端与第2个梯形环连接关节12的右螺纹孔122连接，右端与第2个球形环连接关节11的第一螺纹孔110连接；第4根上横杆的左端与第2个球形环连接关节11的第五螺纹孔114连接，右端与第3个梯形环连接关节12的左螺纹孔120连接；第5根上横杆的左端与第3个梯形环连接关节12的右螺纹孔122连接，右端与第3个球形环连接关节11的第一螺纹孔110连接；……依次类推，第47根上横杆的左端与第24个梯形环连接关节12的右螺纹孔122连接，右端与第24个球形环连接关节11的第一螺纹孔110连接；第48根上横杆的左端与第24个球形环连接关节11的第五螺纹孔114连接，右端与第1个梯形环连接关节12的左螺纹孔120连接，从而形成了由48根上横杆、24个球形环连接关节和24个梯形环连接关节组成的上端圆环18。
第1根下横杆的左端与第25个球形环连接关节11的第五螺纹孔114连接，右端与第25个梯形环连接关节12的左端连接孔120连接；第2根下横杆的左端与第25个梯形环连接关节12的右端螺纹孔122连接，右端与第26个球形环连接关节11的第一螺纹孔110连接；第3根下横杆的左端与第26个球形环连接关节11的第五螺纹孔114连接，右端与第26个梯形环连接关节12的左端螺纹孔120连接；第4根下横杆的左端与第26个梯形环连接关节12的右端螺纹孔122连接，右端与第27个球形环连接关节11的第一螺纹孔110连接；……依次类推，第47根下横杆的左端与第48个球形环连接关节11的第五螺纹孔114连接，右端与第48个梯形环连接关节12的左端螺纹孔120连接；第48根下横杆的左端与第48个梯形环连接关节12的右端螺纹孔122连接，右端与第25个球形环连接关节11的第一螺纹孔110连接，从而形成了由48根下横杆、24个球形环连接关节和24个梯形环连接关节组成的下端圆环19。
第1根竖杆上端与第1个梯形环连接关节12的上螺纹孔121连接，下端与第25个球形环连接关节11的第三螺纹孔112连接；第2根竖杆上端与第1个球形环连接关节11的第三螺纹孔112连接，下端与第25个梯形环连接关节12的上螺纹孔121连接；第3根竖杆上端与第2个梯形环连接关节12的上螺纹孔121连接，下端与第26个球形环连接关节11的第三螺纹孔112连接；第4根竖杆上端与第2个球形环连接关节11的第三螺纹孔112连接，下端与第26个梯形环连接关节12的上螺纹孔121连接；……依次类推，第47根竖杆的上端与第24个梯形环连接关节12的上螺纹孔121连接，下端与第48个球形环连接关节11的第三螺纹孔112连接；第48根竖杆的上端与第24个球形环连接关节11的第三螺纹孔112连接，下端与第48个梯形环连接关节12的上螺纹孔121连接。
第1根左斜撑杆的上端与第1个球形环连接关节11的第四螺纹孔113连接，下端与第26个球形环连接关节11的第二螺纹孔111连接；第2根左斜撑杆的上端与第2个球形环连接关节11的第四螺纹孔113连接，下端与第27个球形环连接关节11的第二螺纹孔111连接；第3根左斜撑杆的上端与第3个球形环连接关节11的第四螺纹孔113连接，下端与第28个球形环连接关节11的第二螺纹孔111连接；……依次类推；第23根左斜撑杆的上端与第23个球形环连接关节11的第四螺纹孔113连接，下端与第48个球形环连接关节11的第二螺纹孔111连接；第24根左斜撑杆的上端与第24个球形环连接关节11的第四螺纹孔113连接，下端与第25个球心环连接关节11的第二螺纹孔111连接。
第1根右斜撑杆的上端与第1个球形环连接关节11的第二螺纹孔111连接，下端与第25个球形环连接关节11的第四螺纹孔113连接；第2根右斜撑杆的上端与第2个球形环连接11的第二螺纹孔111连接，下端与第26个球形环连接关节11的第四螺纹孔113连接；第3根右斜撑杆的上端与第3个球形环连接关节11的第二螺纹孔111连接，下端与第27个球形环连接关节11的第四螺纹孔113连接；……依次类推；第23根右斜撑杆的上端与第23个球形环连接关节11的第二螺纹孔111连接，下端与第47个球形环连接关节11的第四螺纹孔113连接；第24根右斜撑杆的上端与第24个球形环连接关节11的第二螺纹孔111连接，下端与第48个球心环连接关节11的第四螺纹孔113连接。
通过上述的连接关系，构成了外圆环框架1。
参照图9，第三转动连接关节9c由梯形块9c1、正方形凸台9c2、上连接块9c3、销轴9c4和下连接块9c5构成；在梯形块9c1的左表面、右表面、上表面均加工有螺纹孔，用于连接外圆环框架的下横杆和竖杆；正方形凸台9c2位于梯形块9c1下表面的正中心，其中心为一空心圆孔，左右两侧加工有贯通的连接孔9c21；上连接块9c3与下连接块9c5通过销轴9c4连接，三者共同组成转动副；上连接块9c3的正上方设有圆柱形凸台9c31，其上加工有连接孔9c32,且连接孔9c32的中心线与销轴9c4的中心线平行；正方形凸台9c2和上连接块9c3依次通过第一连接孔9c21和第二连接孔9c32用螺栓固定连接；下连接块9c5的底端与伸缩杆6的上端固定连接；
参照图10，第一转动连接关节9a与第三转动连接关节9c结构基本相同，同样由梯形块9a1、正方形凸台9a2、上连接块9a3、销轴9a4和下连接块9a5构成；在梯形块9a1的左表面、右表面、上表面均加工有螺纹孔，用于连接外圆环框架的下横杆和竖杆；正方形凸台9a2位于梯形块9a1下表面的正中心，其中心为一空心圆孔，左右两侧加工有贯通的连接孔9a21；上连接块9a3与下连接块9a5通过销轴9a4连接，三者共同组成转动副；上连接块9a3的正上方设有圆柱形凸台9a31，其上加工有连接孔9a32,但与第三转动连接关节9c的不同之处在于连接孔9a32的中心线与销轴9a4的中心线之间存在夹角，该夹角大小由第一转动连接关节9a的具体安装位置确定。正方形凸台9a2与上连接块9a3依次通过第一连接孔9a21和第二连接孔9a32用螺栓固定连接；下连接块9a5的底端与支撑柱5的上端固定连接。
第二转动连接关节9b与第一转动连接关节9a的结构完全相同。
通常，反射器的俯仰角在0～90°范围变化，当反射器俯仰角为0°时，称反射器处于指平方位；当反射器俯仰角为90°时，称反射器处于仰天方位；当反射器的俯仰角从大到小变化时，称反射器向指平方位转动；当反射器的俯仰角从小到大变化时，称反射器向俯仰方位转动。
本实例的反射器安装初始状态俯仰角为90°，通过伸缩杆6的伸长来减小反射器的俯仰角，实现反射器向指平方位转动。例如，通过伸缩杆6的伸长，使反射器的俯仰角从图1所示的90°变到图2所示的60°。通过方位平台7的转动，实现方位转动，进而实现反射器任意姿态的控制。
实施例二，反射器安装在初始状态俯仰角为15°时，单伸缩杆转台驱动的环框型索网反射系统
参照图5，本实例的单伸缩杆转台驱动的环框型索网反射系统与实施例一的结构基本相同，不同之处在于本实例中的反射器安装初始状态俯仰角为15°，通过伸缩杆6的伸长来增大反射器的俯仰角，实现反射器向仰天方位转动。例如，通过伸缩杆6的伸长，使反射器的俯仰角从图4所示的15°变到图5所示的60°。
本发明的效果可以通过以下仿真实验来验证：
仿真1，对实施例一口径为18.75m的反射器在俯仰角为90°工况下的型面精度进行仿真。
1.1)仿真系统及结构
反射器的外圆环框架由48根上横杆、48根下横杆、48根竖杆、24根左斜撑杆和24根右斜撑杆单元依次拼接而成。反射器的设计口径为18.75m,有效口径为15m，焦径比为0.4，偏馈反射面的偏馈距离为1.5m,反射面索网径向8等分。所有杆件的外径为0.016m,内径为0.015m，外圆环框架的高度为2.5m，所有柔性绳索的直径均为0.0005m。所有刚性杆件选择碳纤维材料，柔性绳索选择凯夫拉纤维材料。反射面薄膜厚度为20μm，采用镀铝芳纶薄膜。
1.2)仿真内容
将反射器按俯仰角90°放置，约束环框下端的3个支撑点，在重力作用下,对反射器进行静力平衡仿真，得到反射器的变形云图，结果如图11所示。
其中图11中的不同颜色反映了反射器不同区域的变形情况，变形值在某一范围内的区域用特定的颜色标识，例如，变形值在0到0.001451范围内的区域用蓝色标识，变形值在0.011609m到0.01306m范围内的区域用红色标识，从蓝色到红色变形值逐渐增大，DMX表示反射器的最大变形。其它仿真图类似。
从图11可以看出,反射器的最大变形DMX＝0.01306m。通过计算，得到反射面的表面均方根误差RMS＝4.32mm。所有刚性构件的质量为16.638Kg，柔性索网的质量为0.509Kg，反射面薄膜质量为7.467Kg，反射器总质量为24.614Kg,面密度为0.089Kg/m2,反射器结构基频为4.81HZ。
仿真2，对实施例一口径为18.75m的反射器在俯仰角为60°工况下的型面精度进行仿真。
结构参数与仿真1相同，将反射器按俯仰角60°放置，约束环框下端的3个支撑点，在重力作用下，对反射面进行静力平衡仿真，得到反射器的变形云图,结果如图12所示。
从图12可以看出，反射器的最大变形DMX＝0.013064m。通过计算，得到反射面的表面均方根误差RMS＝4.50mm。
仿真3，对实施例一口径为18.75m的反射器在俯仰角为45°工况下的型面精度进行仿真。
结构参数与仿真1相同，将反射器按俯仰角45°放置，约束环框下端的3个支撑点，在重力作用下，对反射面进行静力平衡仿真，得到反射器的变形云图，结果如图13所示。
从图13可以看出，反射器的最大变形DMX＝0.01144m。通过计算，得到反射面的表面均方根误差RMS＝4.02mm。
仿真4，对实施例一口径为18.75m的反射器在俯仰角为30°工况下的型面精度仿真。
结构参数与仿真1相同，将反射器按俯仰角30°放置，约束环框下端的3个支撑点，在重力作用下，对反射面进行静力平衡仿真，得到反射器的变形云图，结果如图14所示。
从图14可以看出，反射器的最大变形DMX＝0.009199mm。通过计算，得到反射面的表面均方根误差RMS＝3.31mm。
仿真5，对实施例二口径为18.75m的反射器在俯仰角为60°工况下的型面精度仿真。
结构参数与仿真1相同，将反射器按俯仰角60°放置，约束环框下端的3个支撑点，在重力作用下，对反射面进行静力平衡仿真，得到反射器的变形云图，结果如图15所示。
从图15可以看出，反射器的最大变形DMX＝0.008254m。通过计算，得到反射面的表面均方根误差RMS＝2.56mm。
仿真6，对实施例二口径为18.75m的反射器在俯仰角为45°工况下的型面精度仿真。
结构参数与仿真1相同，将反射器按俯仰角45°放置，约束环框下端的3个支撑点，在重力作用下，对反射面进行静力平衡仿真，得到反射器的变形云图，结果如图16所示。
从图16可以看出，反射器的最大变形DMX＝0.005071m。通过计算，得到反射面的表面均方根误差RMS＝1.45mm。
仿真7，对实施例二口径为18.75m的反射器在俯仰角为30°工况下的型面精度仿真。
结构参数与仿真1相同，将反射器成俯仰角30°放置，约束环框下端的3个支撑点，在重力作用下，对反射面进行静力平衡仿真，得到反射器的变形云图，结果如图17所示。
从图17可以看出，反射器的最大变形DMX＝0.002472m。通过计算，得到反射面的表面均方根误差RMS＝0.67mm。
上述仿真数据表明，该反射面若用于微波通信，其可工作在L、S波段。若考虑到风雨等可能的外部载荷，可适当增加刚性部件的刚强度，进而适当增加反射器系统的质量。即使如此，也有足够的设计空间，使得整个反射器系统的面密度小于3.0Kg/m2。
本文中所描述的以上具体实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的限制。显然，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。例如本实例使用了伸缩杆、网面索、紧固索和纵向支撑索等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，若把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的，这种在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式或细节上的各种修改和改变，均在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种单伸缩杆驱动的环框型索网结构反射系统，包括反射器和跟踪器；
所述反射器，包括外圆环框架(1)、索网组(2)、支撑架(3)、馈源或集热器(4)；外圆环框架(1)由复数个球形环连接关节(11)、梯形环连接关节(12)、上横杆(13)、下横杆(14)、竖杆(15)、左斜撑杆(16)和右斜撑杆(17)连接而成；每个上横杆(13)分别与球形环连接关节(11)和梯形环连接关节(12)连接形成外圆环框架的上端圆环(18)；每个下横杆(14)分别与球形环连接关节(11)和梯形环连接关节(12)连接形成外圆环框架的下端圆环(19)；索网组(2)由网面索(21)、紧固索(22)和纵向支撑索(23)三者共同组成；馈源或集热器(4)安装在支撑架(3)上；
所述跟踪器，包括支撑柱(5)、伸缩杆(6)、方位平台(7)、底座(8)、三个转动连接关节(9a，9b,9c)和支撑座(10)；
其特征在于：
支撑架(3)安装在外圆环框架的上端圆环(18)的一侧；
网面索(21)，由多根柔性绳索织成的纵横交错网组成，其周边与外圆环框架的上端圆环(18)连接，其上绑定用以反射电磁波的金属丝网，或绑定用以汇聚太阳光的带通风小孔的柔性镀金属薄膜，形成第一层网面即反射面；
紧固索(22)，由多根柔性绳索织成的纵横交错的网组成，其周边与外圆环框架的下端圆环(19)连接，形成第二层网面；
纵向支撑索(23)，由多根可伸缩的柔性绳索组成，每根可伸缩的柔性绳索两端分别与网面索(21)和紧固索(22)的对应绳索节点连接，通过调节纵向支撑索(23)的长度控制网面索(21)的形变，使反射面的形状改变；
支撑柱(5)采用成T形结构，其下端与方位平台(7)固定连接，其上端两端点分别通过第一转动连接关节(9a)和第二转动连接关节(9b)与外圆环框架的下端圆环(19)连接；
支撑座(10)与方位平台(7)固定连接，伸缩杆(6)的下端与支撑座(10)活动铰接，形成转动副，伸缩杆(6)的上端通过第三转动连接关节(9c)与外圆环框架的下端圆环(19)连接；
三个转动连接关节(9a，9b，9c)成等腰三角形分布。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于球形环连接关节(11)由一空心球体构成，在空心球体上加工有五个螺纹孔(110，111，112，113，114)；梯形环连接关节(12)由一梯形块构成，在梯形块的左端面、上端面和右端面分别加工有螺纹孔(120，121，122)。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于上横杆(13)、下横杆(14)、竖杆(15)和左斜撑杆(16)和右斜撑杆(17)两端均加工有螺纹，用于与环连接关节的螺纹孔连接；上横杆(13)的中间位置上设有多个连接孔(130)用于与网面索(21)的周边连接；下横杆(14)的中间位置上设有多个连接孔(140)用于与紧固索(22)的周边连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于馈源(4)采用偏置的支撑方式，安装在支撑架(3)上。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于转动连接关节(9c)由梯形块(9c1)、正方形凸台(9c2)、上连接块(9c3)、销轴(9c4)和下连接块(9c5)构成；在梯形块(9c1)的左表面、右表面、上表面均加工有螺纹孔，用于连接外圆环框架的下横杆和竖杆；正方形凸台(9c2)位于梯形块(9c1)下表面的正中心，其中心为一空心圆孔，左右两侧加工有贯通的连接孔(9c21)；上连接块(9c3)与下连接块(9c4)通过销轴(9c3)连接，三者共同组成转动副；上连接块(9c3)的正上方设有圆柱形凸台(9c31)，其上加工有连接孔(9c32),且连接孔(9c32)的中心线与销轴(9c3)的中心线平行；正方形凸台(9c2)和上连接块(9c3)依次通过第一连接孔(9c21)和第二连接孔(9c32)用螺栓固定连接。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于反射器安装初始状态有两种结构：
结构一，反射器安装初始状态俯仰角为90°，通过伸缩杆(6)的伸长实现反射器从仰天方位向指平方位运动；
结构二，反射器安装初始状态俯仰角为15°，通过伸缩杆(6)的伸长实现反射器从初始位置向仰天方位运动。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于索网组(2)的材料选为凯夫拉线，外圆环框架(1)、支撑柱(5)、伸缩杆(6)和方位平台(7)的材料选为高强度的碳纤维。
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